RACIONÁLIS ENERGIAFELHASZNÁLÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG 3.6
Tapasztalatok a fűtés és a hűtés összekapcsolásával az élelmiszeriparban Tárgyszavak: kapcsolt termelés; fűtés; hűtés; tömbfűtő-erőművek; abszorpciós hűtőgép.
A fosszilis energiahordozók felhasználásban mutatkozó megtakarítás egyben az atmoszférába távozó CO2 mennyiségét is csökkenti. Ez különösen érvényes a földgázra, amely szénben „szegény” tüzelőanyag, és jelentős mennyiségű CO2-csökkentést lehet vele elérni. A földgáztüzelésnél a por- és az SO2-kibocsátás gyakorlatilag elmarad. A kapcsolt hő- és villamosenergiatermelő tömbfűtő-erőművek (BHKW) CO2- és szénhidrogén-kibocsátása korlátozható a katalizátorokkal. A motorok nitrogén-oxid-kibocsátása csökken, ha az égés kevesebb oxigénnel történik, vagyis Lambda-1 háromutas katalizátort alkalmaznak. A BHKW hulladék hőjének fűtési célokra történő hasznosítása mellett lehetséges az abszorpciós hűtőberendezésekkel a hőt hűtési célokra alkalmazni. Ez az összekapcsolás ugyancsak energiamegtakarításhoz vezet. Az abszorpciós hűtőberendezések nem használnak FCKW-t (klórozott-fluorszénhidrogéneket), sem FKW-t (fluorszénhidrogéneket), amelyek káros anyagok, kibocsátásuk fokozza az üvegházhatást. Abszorpciós hűtőberendezések Az abszorpciós hűtőberendezések hőt használnak a hűtéshez, így lehetőség van az ún. hulladék hők hasznosítására hűtési folyamatok hajtóenergiájaként. Az abszorpciós hűtéstechnika régóta használt eljárás. Franciaországban fejlesztették ki, és több évtizeden át az egyetlen használható eljárás volt ipari hűtésekben, míg nem terjedtek el a villamos energiával üzemelő kompresszoros hűtőberendezések. A halogén és egyéb megbízható hűtőközegek használata az abszorpciós hűtőtechnika további visszaszorulását eredményezte. A konvencionális kompresszoros hűtéssel szemben az abszorpciós hűtőberendezéseknek a következő előnyei vannak: – környezetbarát hűtőközeg alkalmazása,
hulladék hő energia, nincs forgó vagy mozgó alkotórész, kisebb a karbantartási igény, hosszabb az élettartam, kisebb a zaj, fokozatmentes szabályozás, egészen 10%-os leterhelésig nincs lényeges veszteség, – kisebb a készülék saját villamosenergia-felhasználása. Az abszorpciós hűtőberendezések ma főként a következő hűtőközegoldószer párokkal működnek: víz és lítium-bromid (LiBr), vagy ammónia (NH3) és víz. A víz-LiBr közegpárt a klimatizálás területén is használják; 4 °C hőmérséklet tartományában. Ennél a közegpárnál a víz a hűtőfolyadék és a LiBr az oldószer. Normál és mélyebb hűtési tartományban –55 °C-ig ammónia/víz közegpárt használják, ahol az NH3 a hűtőközeg és a víz az oldószer. A hűtőberendezés hajtóenergiáját biztosító hő származhat alacsony nyomású gőzből, forró vízből vagy közvetlen tüzelésből. – – – – –
Az egylépcsős abszorpciós hűtőberendezés működési elve A berendezés két nyomásszinten működik: a kisnyomású tartomány az elpárologtatáshoz, a nagynyomásút a hűtőfolyadék kondenzációjához használják (1. ábra). A rendszer egy hűtőfolyadék-körfolyamatból és egy oldószer-körfolyamatból áll. Mindegyik körfolyamatban hőcserélők, leválasztók, fojtószelepek és armatúrák vannak, és ezek csővezetékekkel összekapcsolt rendszer alkotnak. Mindkét körfolyamatnál a közeget kiforraló és elnyelő (abszorbens) elemek kapcsolódnak egymással. A hűtőfolyadék az elpárologtatóban – leadva hőteljesítményét – gőzfázisba kerül. Ezt követően az abszorbe jut, ahol a csekély hűtőközeget tartalmazó oldatot abszorbeálja, és a keletkező oldószerhőt a hűtővíz elvezeti. Az abszorpció folytán feldúsult oldatot egy szivattyú nagy nyomásra sűríti, és a kiforralóba szállítja. A forró víz hőcserélő hajtja ki a hűtőközeget az oldatból. Ez a hűtőközeg átmegy a deflegmátoron (leválasztón), ahol közel „tiszta” hűtőfolyadékgőz keletkezik (>99,8%), amelyet a kondenzátorba vezetve cseppfolyósítanak. A lekondenzált hűtőfolyadékot ezután fojtószelepen keresztül a kisnyomású térbe vezetve engedik kiterjedni és elpárologni. A hűtőközegben szegény oldat a kiforralóból fojtáson keresztül az abszorberbe áramlik, így képes az elpárologtatóból újabb hűtőfolyadékgőzt felvenni. Az eljárás optimalizálását biztosítja, hogy a folyamatba két belső hőcserélő van. A hűtőközeg-hőcserélő a hűtőfolyadékgőz hőjét hasznosítja. Cél az, hogy a hűtőfolyadék lehűtése minél alacsonyabb hőmérsékletet érjen el a fojtás előtt, és növeljék a hűtési teljesítményt. Az oldószer-hőcserélő hasznosítja
a hűtőközegben szegény oldat hőjét, és ezzel előmelegíti a hűtőközegben gazdag oldatot a kiforraló előtt. hideg víz belépése
folyékony hűtőfolyadék
hűtőközeg gőze
kondenzátor deflegmátor (leválasztó) oldószer
hűtőközeget hővel kiforraló
forró víz belépése forró víz kilépése
hűtőközegben szegény oldat
hűtőközegben dús, gazdag oldat
hűtőközeghőcserélő
fojtószelep
hűtőközeg gőze
oldószerhőcserélő
fojtószelep
oldószer-szivattyú
hűtőközeg belépése hűtőközeg kilépése
hideg víz kilépése elpárologtató
abszorber
1. ábra Egylépcsős abszorpciós hűtőberendezés A kondenzátor, leválasztó és abszorber hőjét hűtővízzel vezetik el. A hőcserélők egymással sorba kapcsoltak, így a hűtővíz ezeken egymás után áramlik keresztül, hőjüket begyűjti. Egylépcsős NH3/H2O abszorpciós hűtőberendezésekkel működő hűtőközpontok normál és mélyhűtési céllal –10 °C-tól –28 °C-ig terjedő elpárologtatási hőmérséklettel dolgoznak. A fűtőközeg hőmérsékletének a 100 °C-ot meg
kell haladnia. Az összekapcsolt rendszereknél a belső égésű motorból elvezetett hő ritkán éri el ezt a hőmérsékletet. Ezért van szükség kétlépcsős, termikus sűrítéssel kombinált rendszerre. A kétlépcsős abszorpciós hűtőberendezés folyamata Igen alacsony hűtési hőmérsékletnél (To) vagy alacsony hőmérsékletnél (TH) kell a kétlépcsős az abszorpciós hűtőberendezés. hűtőfolyadék-körfolyamat
fűtési
oldat-körfolyamatok
hűtővíz
deflegmátor (leválasztó) oldószer nagynyomású kiforraló hűtőközeg gőze oldószerhőcserélő
fojtószelepek
fűtővíz
2. oldószerkörfolyamat
oldószerszivattyú
nagynyomású abszorber
kisnyomású kiforraló
kondenzátor
hűtővíz
hűtőközegben szegény oldat
folyékony hűtőfolyadék hűtőközeghőcserélő
fojtószelepek hűtőközeg belépése hűtőközeg kilépése
hűtőközeg gőze elpárologtató
hűtőközegben dús, gazdag oldat oldószerhőcserélő
fojtószelepek
fűtővíz
1. oldószerkörfolyamat
oldószerszivattyú
kisnyomású abszorber
2. ábra Kétlépcsős abszorpciós hűtőberendezés
hűtővíz
A berendezés alapelve (2. ábra) azonos az egylépcsőssel, azonban új elemenként belépnek a termikus sűrítők. Az abszorber, az oldószer-hőcserélő, a kiforraló és a leválasztó sorba kapcsolva jelenti a két lépcsőt. E folyamatnál három nyomást kell meghatározni: a kondenzátornyomást, a közbenső nyomást és az elpárologtató nyomását. Ezek értékei szorosan összefüggnek és illeszkednek az alkalmazott fűtési és hűtési hőmérsékletekhez. Az első kísérleti berendezésekkel 80 °C-tól 95 °C-ig terjedő hőmérsékletű hulladék hővel –10 °C-tól –30 °C-ig terjedő elpárologtatási hőmérsékletet lehetett elérni. Az első tapasztalatok azt mutatták, hogy közvetett mélyhűtéssel nyitott, hosszú raktározási pultnál (pl. árucsarnokok mélyhűtő pultjai) megfelelően alacsony hőmérsékleteket lehetett elérni NH3/H2O kétlépcsős abszorpciós hűtőberendezéssel. Az egy- és kétlépcsős abszorpciós hűtőberendezések részei Elpárologtató Egy hőcserélőből áll, amelyben a hűtőfolyadék a hűtési teljesítmény leadása során elpárolog, míg az ellenáramban vezetett közeg/sólé lehűl. Hűtőfolyadék hőcserélő A meleg hűtőfolyadék és a hideg hűtőközeggőz közötti hőcsere következtében a folyadék a fojtás előtt lehűl. Abszorber Egy hőcserélőből áll, amely a hűtőközeg gőzében van elhelyezve, és az oldat hőleadását biztosítja, miközben a csekély hűtőközeget tartalmazó szegény oldatot abszorbeálja. Ezt az oldatot az abszorberhez speciális porlasztókon át vezetik az optimális hő- és anyagcsere érdekében. A nyert hőt ellenáramban hűtővízzel vezetik el. Oldószer-hőcserélő A hűtőközegben szegény meleg oldat és a hűtőközegben dús (gazdag) hideg oldat közti hőcsere csökkenti a fűtési energiafelhasználást. Kiforraló (hűtőközeg-kiűző) Egy hőcserélőből áll, amely hőközléssel a hűtőközegben dús oldatból a hűtőfolyadékot elpárologtatja. Az ehhez szükséges hőt az ellenáramban vezetett forró víz szolgáltatja.
Deflegmátor (leválasztó) Egy hőcserélőből áll, amely a kiforralóból áramló hűtőközeg gőzében van elhelyezve, és az ellenáramban áramló hűtővíz lehűti. Így a gőzből a maradék víz lecsapódik, és maximális tisztaságú hűtőközeggőz biztosítható (>99,8%). Kondenzátor Egy hőcserélőből áll, amely a hűtőközeg gőzében van elhelyezve, ahol az ellenáramban vezetett hűtővíz hatására kondenzál és kismértékben lehűl. Oldószer-szivattyú Szivattyú közvetlen motorikus meghajtással szállítja az abszorbenst elhagyó hűtőközegben dús oldatot az oldószer-hőcserélőn át a kiforralóba. Fojtószelepek Két fojtószelep biztosítja a nagy- és kisnyomású tér közti átmenetet. A fojtás következtében a hűtőközeg-kondenzátum az elpárologtatás nyomásértékére, a hűtőközegben szegény oldat az abszorbens nyomásértékére expandál. Hűtőfolyadék-gyűjtő A kondenzátort elhagyó hűtőközeg kondenzátumot gyűjtőtartályba vezetik. Elválasztók Két elválasztót használ; egyet a kiforraló és a deflegmátor között, egyet az abszorber és az oldószerszivattyú között. A folyamat paramétereinek meghatározása Egy abszorpciós hűtőberendezés optimális üzemelése függ a használt hűtővíz és forró víz hőmérséklettől. Az elemek helyes kiválasztása és a megfelelő tervezése döntő jelentőségű a villany-hő-hűtés összekapcsolásával működő berendezés gazdaságosságánál. Gyakran a folyamatot alapvetően meghatározza a rendelkezésre álló közeg hőmérséklete (TH) és a hűtővíz hőmérséklete (TkW) által meghatározott elpárologtatási hőmérséklet (To). A 3. és 4. ábrák szemléltetik az elérhető elpárologtatási hőmérséklet függését az áramló forró víz hőmérsékletétől az egy- és a kétlépcsős berendezéseknél. Alapvető, hogy egy tkW = 27/33 °C hűtővíz-hőmérsékletnél egylépcsős folyamatoknál az elgázosítás terjedelme ∆ξ = 5%, ugyanez kétlépcsős folyamatoknál ∆ξ = 3%. A folyamatokat alapvetően befolyásoló nyomásokat – a kondenzátorét (p), az elpárologtatóét (po) és a közbenső nyomást (pn) – megfelelően kell meghatározni a kétlépcsős berendezéseknél.
10
elpárologtatás hőmérséklete, °C
5 0 85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
135
-5 -10 -15 -20 -25
áramló forró víz hőmérséklete, °C
3. ábra Egylépcsős abszorpciós hűtőberendezésnél az elpárologtatás hőmérsékletének függése a forró víz hőmérséklettől 5 0 65
70
75
80
85
90
95
100
-5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 áramló forró víz hőmérséklete, °C
4. ábra Kétlépcsős abszorpciós hűtőberendezésnél az elpárologtatás hőmérsékletének függése a forró víz hőmérsékletétől A kondenzátor nyomásának (p) – eltekintve a jelentéktelen nyomásveszteségtől – azonosnak kell lennie a kiforralóban uralkodó nyomással. Van egy minimális nyomás (pmin), amelynél a gőzformájú hűtőközeg a kondenzátorban
még teljes mértékben kondenzálni tud. A kondenzátorban lévő hőmérsékletkülönbségből (∆Tkond.) és a számítás egyszerűsítése végett feltételezett tiszta NH3 hűtőközeggőzből (tömegarány ξ NH = 1) a következő közelítő összefüg3
géssel számolható e nyomás: pmin = ptelített (TK + ∆Tkondenzátor, ξ NH = 1). 3
Az elpárologtatási nyomásnál alsó meghatározhatók. A felső értékhatárnak annak hűtőfolyadék az elpárologtatóban a hőközlés párologni. Az elpárologtatóban bekövetkező következők szerint számítható:
és felső értékhatárok kell megfelelnie, hogy a következtében el tudjon hőmérsékletkülönbség a
po ≤ po, max = ptelített (To – ∆Telpárologtató, ξ NH = 1). 3
Az alsó határérték az abszorpciós folyamatok körülményeinek figyelembevételével adódik. A kiforralóból jövő hűtőközegben szegény folyadék koncentrációjának (ξszegény oldat) kell lehetővé tennie az elpárologtatóból jövő hűtőközeg abszorpcióját. Ehhez az abszorber nyomásának nagyobbnak kell lennie az oldat telítettségi nyomásánál – az abszorber alacsony hőmérséklete mellett. Így az elpárologtató nyomásának alsó értékhatára a következő: po ≥ po, min = ptelített (TK – ∆Tabszorbens, ξ = ξszegény oldat) + ∆p. Ahol ∆p az a nyomásesés, amely az elpárologtató és az abszorber között jelentkezik. A közbeeső nyomás (pn) kétlépcsős berendezéseknél a két nyomásszint (po és p) közötti érték. Ahhoz, hogy a nagynyomású térben az abszorber egyáltalán abszorbeálni tudja a kisnyomású kiforralóból jövő gőzöket, egy közbenső nyomásra van szükség, amelynek értéke a következő: pn ≥ ptelített (TK – ∆Tabszorber, ξ = ξszegény oldat, nagynyomású) + ∆p. A közbenső nyomást úgy kell megválasztani, hogy a hűtőteljesítmény vagy a hőviszonyok maximális értéket érjenek el. Az abszorpciós hűtőberendezést a hőaránnyal jellemzik (ζ), mely a hűtőteljesítmény (Qo) és a hozzá felhasznált fűtési hőteljesítmény (QHW) aránya: hőarány ζ =
hűtőteljesítmény (Qo) fűtési hőteljesítmény (QHW)
Az 5. ábra szemlélteti az egy és a kétlépcsős hűtőberendezések hőarányát mint hatásfokát, az elpárologtatási hőmérséklet függvényében. Az ábrázolt görbéket az egylépcsős berendezésnél 32 °C kondenzációs hőmérséklet és 115 °C forróvíz-hőmérséklet, a kétlépcsősnél 95 °C forróvíz-hőmérséklet mellett határozták meg.
0,7 egylépcsős berendezés
0,6
hőarány { - }
0,5 0,4 kétlépcsős berendezés
0,3 0,2 0,1 0 -60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
elpárologtatási hőmérséklet, °C
5. ábra Egy és kétlépcsős abszorpciós berendezések hőarányszámai
Kétlépcsős kísérleti berendezés Jelenleg Drezdában az ILK-án (Institut für Luft- und Kältetechnik = Légés Hűtéstechnikai Intézetnél) egy kísérleti berendezésen folynak vizsgálatok. A berendezésen mind egylépcsős, mind kétlépcsős üzemeltetés is megvalósítható. A berendezés –25 °C elpárologtatási hőmérséklettel 95 °C forróvízhőmérséklettel és 27 °C hűtővíz-hőmérséklettel működik. A fűtőteljesítménye 50 kW, amivel kétlépcsős folyamatban 14,25 kW hűtőteljesítményt ér el. A kísérletek célja annak vizsgálata, hogy milyen hűtőteljesítményt lehet elérni ilyen paraméterek és 100 °C alatti fűtőközeg-hőmérséklet mellett. A tapasztalatok szerint kedvező költségekkel üzemeltethető, kompakt berendezést sikerült modellezni.
Üzemeltetési tapasztalatok Napenergiával összekapcsolt abszorpciós hűtőberendezés
hűtőteljesítmény, Qo (kW)
Az ABB 1998. áprilisban kapott megrendelést egy NH3-abszorpciós hűtőberendezés létesítésére, amelynél a szükséges hőenergiát napenergiával biztosítják. A 6. ábra áttekintést nyújt ennek a berendezésnek teljesítőképességéről. Még 75 °C alatti kiforraló-hőmérsékleten is 30%-os pulthűtést lehetett elérni. Az eredményes üzemelés 1998 szeptemberétől referenciát biztosít.
az egyes mérési pontokból extrapolált jellemgörbék
az abszorberbe belépő fűtőközeg hőmérséklete, °C
6. ábra Abszorpciós hűtőberendezés mérési eredményei; Köthen Villany-hő-hűtés összekapcsolása Aschaffenburg Városi Művek ivóvíz-előkészítésénél A hűtőteljesítményre az épületekben található nedves levegő szárítása céljából volt szükség, ott, ahol a tiszta víz tartalékát helyezték el. A hőteljesítmény fűtési célokra, a villamos teljesítmény a berendezések üzemeltetéséhez volt szükséges. Ennek a három igénynek helyi kielégítésére felmerült egy kedvező költségű, üzembiztos, és mindenekelőtt környezetkímélő technika keresése, és erre villany-hő-hűtés összekapcsolása bizonyult a legmegfelelőbbnek.
Koncepció Az ABB Energiesysteme GmbH által választott egységek: tömbfűtő-erőmű (ZANTEC475) NH3/H2O abszorpciós hűtőberendezés. Egy gázkazánnal és egy hőtárolóval összekötötték az energiarendszert. a tüzelés hője tömbfűtő erőmű
súrlódás, füstgáz és sugárzás hővesztesége
kis hőmérs. nagy hőmérsékletű hő (abszorpciós hűtőberendezés üzemeltetési hője) szivattyú teljesítménye leadott hőmennyiség (az AKA hűtőteljesítménye)
abszorpciós hűtőberendezés hűtővíz hője konvekció és sugárzás hővesztesége kis hőmérsékletű hő
villamosenergiatermeléshez felhasznált
fűtési hő
7. ábra Az Aschaffenburgi berendezés energiaellátása
A tömbfűtő-erőmű áramot termel (446 kW) és hőt ad le egy nagyhőmérsékletű vezetékre (541 kW; 108 °C és 96 °C) az abszorpciós hűtőberendezés számára, alternatív esetben hőtárolási célra kishőmérsékletű vezetékre (105 kW; 34 °C és 27 °C) melegvíz-fűtéshez. A gázmotor nagyhőmérsékletű hője hajtja az abszorpciós hűtőberendezést (biztosítva a kiforraláshoz szükséges hőt), biztosítva a szükséges hőteljesítményt, a 440 kW-ot. A hűtést felhasználót áramló hűtőközeg (glikol-víz keveréke) látja el a szükséges hűtőteljesítménnyel. A hőtároló egy termeléskiegyenlítést biztosít a gázmotor számára. A hűtés alapterhelése 250–300 kW között mozog, az ehhez szükséges hőteljesítményt a BHKW-modul szolgáltatni tudja. A gázkazán a csúcsterhelés fedezését szolgálja. Eredmények A primer energia, a földgáz felhasználással (1231 kW) a következőket biztosította: villamos hatásfok 36,2%, a BHKW-modul termikus hatásfoka 52,2%, a teljes hatásfok 88,4%. A villany-hő-hűtés összekapcsolt alkalmazásával működő berendezés energetikai értékelése az abszorpciós hűtéstechnika területén azt mutatja, hogy a hőhasznosítás (nagy és kishőmérsékleten egyaránt) igen jó. Az eredmények a 7. ábrán láthatók. A CO2-kibocsátás egyszerű összehasonlító elemzésével megállapítható, hogy az összekapcsolt rendszer lényegesen kisebb primerenergia-felhasználása 56%-kal csökkentette a CO2-kibocsátást ahhoz képest, mikor az egyes energiafolyamatot elválasztva, külön valósul meg (széntüzelésű kondenzációs erőművel, gázkazánnal és kompresszoros hűtőberendezéssel). Az óránként megtakarított CO2-kibocsátás 361,6 kg. Évi 6500 üzemórát számolva, ez 2350 tonna CO2 éves megtakarítását jelenti. (Szentpály Tibor) Förster, M.: Erfahrungen mit Kraft-Kälte-Kopplung in der Nahrungsmittelindustrie – Kälteerzeugung bis –55 °C unter Einsatz eines BHKW. = VDI-Berichte, 2000. 1539. sz. p. 35–54.
